針織物頂破強(qiáng)力測試的不確定度分析

    測量不確定度與傳統(tǒng)的誤差分析理論相比更具操作性，但目前在紡織測試領(lǐng)域，不確定度的評估還不普及。因此，本文運(yùn)用不確定度理論對實(shí)驗(yàn)室研制改造的“針織物彈子頂破強(qiáng)力儀”測試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不確定度的評估具有現(xiàn)實(shí)意義。

本實(shí)驗(yàn)采用研制改造的彈子頂破強(qiáng)力儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測試系統(tǒng)包括頂壓球桿、框架式固定夾具座、試樣固定夾具等。并且使用XJ818電子材料試驗(yàn)機(jī)(CRE)，其能有效地保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性和可靠性，量程為(0～5)kN。按照GB/T19976-2005《針織物頂破強(qiáng)力的測試》要求設(shè)定拉伸速度為300mm/min，采用ASTM D5034規(guī)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù):鋼球外弧頂點(diǎn)與織物平面距離為75mm。

一、數(shù)學(xué)模型

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，建立如下不確定度分析的數(shù)學(xué)模型:

式中:Y——已修正的頂破強(qiáng)力測量值；——重復(fù)測量算術(shù)平均值；——修正值。

二、不確定度的主要來源

本測量方法主要包括手工制樣、確定頂壓起始距離、夾樣及拉伸等幾個(gè)過程。測試程序如圖1所示。

<CTSM>圖1針織物頂破強(qiáng)力實(shí)驗(yàn)流程圖</CTSM>

依據(jù)商品的特征及檢驗(yàn)方法、實(shí)際操作情況，不確定度的主要來源有:取樣的隨機(jī)性、檢測過程操作的差異等分量引起的不確定度；材料試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確度、儀器跟蹤應(yīng)力的靈敏度和模量轉(zhuǎn)換(包括數(shù)字修約)的準(zhǔn)確性導(dǎo)致自動(dòng)顯示終端的示值誤差。

1.隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度

(1)試樣的代表性

以下因素的分散性均構(gòu)成試樣間強(qiáng)力測試結(jié)果的差異:

①紗線的細(xì)度、均勻度、捻度。

②織物的密度、成分、組織結(jié)構(gòu)。

(2)偏離方法要求的因素導(dǎo)致的不確定度

①夾持狀態(tài)不理想

按GB/T19976-2005的要求，鋼球中心應(yīng)位于織物夾具圓孔中心正上方，但在實(shí)際操作時(shí)難以控制到理想狀態(tài)，由此導(dǎo)致了測量不確定度分量。

②調(diào)濕偏差

某些織物(如麻織物、粘膠織物)的強(qiáng)力與濕度密切相關(guān)，由于調(diào)濕時(shí)間或濕度的波動(dòng)將導(dǎo)致強(qiáng)力值的波動(dòng)。

③強(qiáng)力機(jī)拉伸速度均勻性

拉伸速度不均勻?qū)?dǎo)致強(qiáng)力儀模量轉(zhuǎn)換失真。

本實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕室內(nèi)由同一人員操作完成。這兩個(gè)因素影響較小，帶來的不確定度可以忽略不計(jì)。

因?yàn)闃悠穵A持在固定的金屬夾具內(nèi)，有效受力面積基本保持不變，所以這個(gè)不確定度也可以忽略不計(jì)。

2.儀器示值的準(zhǔn)確性導(dǎo)致的不確定度

主要是由于儀器跟蹤應(yīng)力的靈敏度和模量轉(zhuǎn)換(包括數(shù)字修約)的準(zhǔn)確性導(dǎo)致自動(dòng)顯示終端的示值誤差。

三、不確定度的評定

1.A類不確定度u_A(X)的評估分析

因取樣的隨機(jī)性、檢測過程操作的差異等引起的不確定度采用A類方法進(jìn)行評估。

以4組樣品在標(biāo)準(zhǔn)條件下各測10個(gè)試樣的結(jié)果為基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評定其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差。樣品是純棉26S緯平針布，如表1所示。

<CTSM>表1針織物頂破強(qiáng)力測試結(jié)果單位:N</CTSM>

根據(jù)表1，通過下式計(jì)算總算術(shù)平均值:

，這里m=4，n=10

所以，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差為:

m組樣品n次測量平均值的測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

2.B類不確定度u_B(X)的評估分析

(1)修約誤差

本實(shí)驗(yàn)中由數(shù)字修約導(dǎo)致的不確定度、測量儀器的示值量化導(dǎo)致的不確定度都屬于均勻分布。GB/T19976-2005的結(jié)果修約按如下規(guī)則進(jìn)行:強(qiáng)力的平均值修約到整數(shù)位δx，即1N。所以平均值為334N時(shí)，計(jì)算平均值修約導(dǎo)致的不確定度為:

(2)示值相對誤差

儀器示值的準(zhǔn)確性導(dǎo)致的不確定度主要是由于儀器跟蹤應(yīng)力的靈敏度和模量轉(zhuǎn)換(包括數(shù)字修約)的準(zhǔn)確性導(dǎo)致自動(dòng)顯示終端的示值誤差。根據(jù)強(qiáng)力機(jī)技術(shù)資料標(biāo)明:強(qiáng)力的示值相對誤差為0.5%，而。按均勻分布處理，強(qiáng)力機(jī)大示值誤差導(dǎo)致的示值標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

(3)示值重復(fù)性

根據(jù)校準(zhǔn)證書可知，示值重復(fù)性為1%，并指出其置信概率為95%，按正態(tài)分布處理，其示值重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

(4)載荷進(jìn)回程相對誤差

根據(jù)強(qiáng)力機(jī)校準(zhǔn)證書可知，載荷進(jìn)回程相對誤差為1.5%，并指出其置信概率為95%，按正態(tài)分布處理，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

(5)橫梁速度變動(dòng)導(dǎo)致的不確定度

由實(shí)驗(yàn)可以得到橫梁移動(dòng)速度的變化會引起織物頂破強(qiáng)力的變動(dòng)。橫梁負(fù)載速度的相對誤差為1%，按均勻分布處理，得到橫梁移動(dòng)速度大誤差導(dǎo)致的橫梁移動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

平均頂破強(qiáng)力為334.15N，所以平均機(jī)器功率為:

式中:P——強(qiáng)力機(jī)實(shí)際功率，W；F——強(qiáng)力，N；V——橫梁速度，mm/min。

把上式變形后可得到下式:

所以

因?yàn)?em>u(P)=0，所以

3.不確定度匯總

輸入量的不確定度匯總表如表2所示。

<CTSM>表2不確定度匯總表</CTSM>

五、輸入量的合成不確定度

因?yàn)楦鞣至繜o相關(guān)性，所以

六、擴(kuò)展不確定度

包含因子k=2，則平均頂破強(qiáng)力的擴(kuò)展不確定度

U_y=ku_c(Y)=2×4.22≈8.5N

七、不確定度的報(bào)告

本實(shí)驗(yàn)情況下，針織物頂破強(qiáng)力平均值Y=334N，擴(kuò)展不確定度U_y=8.5N，k=2。

八、結(jié)論

1.作為一個(gè)新研制改造的針織物頂破強(qiáng)力測試系統(tǒng)，進(jìn)行該系統(tǒng)的測量不確定度評定具有重要的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也擴(kuò)大了紡織測試領(lǐng)域的不確定度評估范圍。

2.不確定度的主要來源是取樣隨機(jī)性、強(qiáng)力機(jī)的示值準(zhǔn)確度等，所以為保證測試結(jié)果的正確，必須確保儀器量值溯源的準(zhǔn)確，按計(jì)劃進(jìn)行期間核查。